基于内嵌钴/氮掺杂多孔碳三维石墨烯笼的抗团聚高效氧还原电催化剂

氧还原反应是决定燃料电池、金属-空气电池等多种新型清洁能源存储与转化技术之性能与应用的关键反应. 铂及其合金是目前催化活性最好的氧还原反应催化剂,但其高昂的成本限制了规模化应用. 在小尺寸效应作用下,微纳米结构催化剂颗粒在电极制备与电化学反应过程中的团聚限制了催化剂本征催化活性的充分发挥. 本文基于喷雾热解技术,发展了一种基于内嵌钴/氮掺杂多孔碳三维石墨烯笼的高活性、抗团聚非贵金属氧还原反应催化剂. 此结构中,金属有机骨架化合物ZIF-67衍生的钴/氮掺杂多孔碳纳米结构是催化氧还原反应的活性中心,包覆其外的三维石墨烯笼不仅可在钴/氮掺杂碳纳米结构之间构建连续的三维载流子传导网络,且可高效抑制其在催化剂制备与电化学反应过程中的团聚与活性损失. 在碱性电解液中,此类非贵金属催化剂表现出可与铂基催化剂媲美的氧还原反应活性和优异的稳定性.     

金属-空气电池中双功能电催化剂微纳结构设计（英文）

金属-空气二次电池在可再生电能的存储和转换方面具有广阔的应用前景.在金属-空气二次电池的空气侧,放电时发生氧还原反应(ORR),充电时发生氧析出反应(OER).然而,ORR和OER反应的动力学过程缓慢,因此限制了金属-空气二次电池的实际应用.因此,发展高性能ORR和OER电催化剂对金属-空气二次电池的发展尤为重要.目前,大多数的研究集中在ORR或OER的单功能电催化剂上,而关于双功能电催化剂的研究和综述相对较少.两个反应均具有较高的过电位和较缓慢的动力学过程,而且充电过程的高电压会导致ORR催化剂失活,反之亦然.因此,开发针对这两个反应均具有高活性和高稳定性的双功能电催化剂极具挑战性.近年来,研究者对具有低成本和高性能双功能电催化剂进行了探索.这些双功能电催化剂包括碳基材料,过渡金属材料和复合材料.双功能电催化剂可以通过提高本征活性和表观活性两种策略来提高其整体的活性.其中,本征活性与晶体结构和电子结构密切相关,即可以通过调节晶体结构和电子结构来提高其本征活性.例如,可以改变金属-氧键的强度、氧空位浓度等来调变电催化活性.在碳基材料中掺杂杂原子可以改变碳的电荷密度分布,从而实现对电催化活性的提高.此外,其表观活性还可以通过改变形貌并利用协同作用来改善.构建特殊微纳结构是提高电催化活性的最常用策略之一.在这种情况下,电催化剂具有较高的比表面积,大量的活性位点和良好的电子传导性.同时,复合电催化剂组分之间在加速电催化过程中的协同作用不容忽视.本文将聚焦双功能电催化剂的微纳结构设计,并简要讨论了纳米结构的精细调控和对反应机理的认识.我们认为,未来的工作应继续加强ORR和OER的新型双功能电催化剂的开发,发展更多的合成方法对电催化剂的微纳结构进行调变,并对反应机理进行更深入的研究.首先,通过对结构的精细调变提高电催化剂的本征活性和表观活性.此外,通过多种原位表征方法揭示反应机理,这有助于电催化剂的设计和催化活性的进一步提升.基于此,开发出性能优异的双功能电催化剂以加快用于存储和转换可再生能源的可充电金属-空气二次电池的商业化进程.     

表界面调控电催化析氧反应

开发高效绿色清洁能源已引起研究者们的广泛关注。电解水是一种大规模且可持续生产高纯氢能源技术。然而,阳极析氧反应电催化剂的高过电位和不稳定性制约了电解水技术的大规模应用,合理设计电催化剂的结构可显著优化其反应热力学和动力学,提高电解水技术的能量转换效率。表界面是电催化反应发生的主要场所,通过调控电催化剂表面的本征结构或构筑异质界面等系列表界面化学工程对电催化剂进行改性,可以有效改善材料的催化活性和稳定性。本文概述了当前表界面调控策略在电催化析氧反应中的研究进展,重点介绍了表界面调控层状双金属氢氧化物、钙钛矿型氧化物、尖晶石型化合物及合金材料的研究现状,阐述了高效稳定析氧反应电催化剂的设计思路。讨论了表界面调控策对催化剂表界面微结构和电子态的影响以及设计新型析氧反应电催化剂中面临的问题。最后,展望了表界面调控应用于析氧反应电催化剂的前景。     

金属空气电池阴极氧还原催化剂研究进展

随着能源危机加剧和生态环境恶化, 可持续发展能源受到更大的重视. 金属空气电池作为一种绿色能源是具有很大发展潜力的新一代电池. 与传统电池相比, 此类电池有着更高的理论能量密度, 尤其是锂空电池, 能量密度可达3505 Wh/kg, 然而阴极缓慢的氧还原反应成为制约其发展的关键因素之一. 在简要介绍氧还原反应机理基础上, 着重介绍了近年来氧还原催化剂如贵金属及其合金、过渡金属氧化物/硫化物、功能化碳材料和金属氮化物的研究进展, 并根据目前所存在问题指出未来研究方向, 包括深入研究氧还原反应机理, 明确催化剂活性位; 研究催化剂结构等对催化活性的影响, 优化制备条件, 以提高催化活性和稳定性; 根据氧还原机理设计开发新型氧还原催化剂.     

铂合金纳米立方块催化剂的氧还原反应活性比较

氧还原反应是质子交换膜燃料电池和金属-空气电池的重要反应,贵金属铂（Pt）与元素周期表中第一排的非贵过渡金属（M）形成铂合金催化剂（PtM）可以提高氧还原反应活性. 但是,有关活性的提高有多大程度上是来自合金元素的贡献却仍然存在争议. 为了研究合金元素对PtM催化活性的影响,本工作合成了颗粒形状与合金元素含量相似的铂锰（PtMn）, 铂铁（PtFe）, 铂钴（PtCo）和铂镍（PtNi）纳米立方块催化剂,并考察了不同铂合金催化剂在酸性介质中的氧还原反应活性. 选择制备立方块形状纳米颗粒催化剂进行比较,可以将颗粒表面结构对催化活性的影响降到最小. 结果表明,氧还原反应活性与铂d-带中心值曲线呈现火山形关系,其中PtCo纳米立方块催化剂的活性最高. 本文所得到的实验结果与基于d-带理论框架已知表面的密度泛函理论计算结果一致.     

纤维基氧化还原电催化剂的研究进展

化石燃料的过度使用带来了严峻的环境污染问题,积极探索开发绿色可持续的能源转换和存储技术是目前研究的重要方向.以氢燃料和空气为动力的质子交换膜燃料电池和金属空气电池在众多能源技术中脱颖而出.但其工作过程中涉及的氧还原反应(ORR)严重制约了清洁能源技术的广泛使用.纤维结构催化材料具有其比表面积高、几何结构可调及制备简单便捷等优势,在氧还原领域备受关注.本文综合评述了纤维结构催化材料金属活性中心的可控调节,介绍了纤维结构电催化材料在氧还原反应电催化方面的最新进展,揭示了纤维结构氧还原催化剂在电催化ORR反应中的构效关系,讨论了纤维结构电催化材料在ORR电催化中面临的挑战和机遇.     

单原子催化剂在氧还原反应中的分子级调控

氧还原反应(ORR)在电化学能量存储和转换系统以及精细化学制剂的清洁合成中发挥着重要作用. 然而, ORR过程的动力学极其缓慢, 需要使用铂族贵金属催化剂加快其反应动力学速率. 铂基催化剂的高成本严重阻碍了其大规模的商业化. 由于单原子催化剂(SACs)具有结构明确、 本征活性高和原子效率高的特点, 有望取代昂贵的铂族贵金属催化剂. 迄今, 在进一步提高SACs的ORR活性方面已有大量的研究报道, 包括定制金属中心的配位结构、 丰富金属中心的浓度以及设计衬底的电子结构和孔隙率等. 本文综合评述了近年来SACs在ORR性能以及与ORR相关的H₂O₂生产、 金属-空气电池和低温燃料电池等方面的应用研究进展. 总结了通过引入其它金属或配体来调整孤立金属中心的配位结构、 通过增加金属负载来增加单原子位点的浓度以及通过优化载体的孔隙度来优化催化性能和电子传输等方面的研究进展, 并对SCAs的未来发展方向和面临的挑战提出了展望.     

通过铁掺杂和造孔提高氮掺杂石墨烯/碳纳米管复合物电催化氧还原性能的研究（英文）

氧还原反应催化剂的性能直接影响着能源转换和存储器件如燃料电池和金属-空气电池的性能. 开发低成本、高性能的非铂族金属氧还原催化剂对于这类器件的实际应用和商业化十分重要,因此备受关注. 氮掺杂的石墨烯/碳纳米管复合物同时具备碳纳米管的良好导电性能和有利于传质的三维网络结构优点,以及氮掺杂石墨烯的高活性优点,因此有望发展为这类可替代铂族催化剂的氧还原电催化剂之一,但目前其催化性能还需进一步提高. 本文研究发现通过在氮掺杂石墨烯/碳纳米管复合物的过程中引入铁元素可以有效提高催化剂的氧还原活性,并且发现通过在热处理和氮掺杂过程中加入二氧化硅纳米颗粒及随后除去二氧化硅,可以在氮掺杂的石墨烯/碳纳米管复合物材料中有效地形成多孔结构. 这种多孔结构的形成不仅可以在复合物中引入更多的高活性催化位点,而且有利于暴露更多的催化活性位并促进氧还原反应中的传质过程. 结合碳纳米管、石墨烯和多孔结构的三者优点,所制备的多孔氮掺杂碳材料表现出优异的电催化氧还原性能. 进一步的实验表明,这类材料还表现出优异的抗甲醇中毒能力和良好的稳定性,因此在性能改进后有望用于燃料电池等能量转换与存储器件.     

碳基无金属氧还原电催化剂研究的新进展

以替代铂为目标的高性能廉价氧还原电催化剂的研究为当今科学前沿. 近年来人们发现, 掺杂的碳基纳米结构具有催化活性高、稳定性好、资源丰富、抗CO和抗甲醇能力强等优点, 是一种新型无金属氧还原电催化剂, 具有替代铂基催化剂的潜力. 本文结合作者课题组的最新研究成果, 简要综述了碳基无金属氧还原电催化剂研究的主要进展, 重点关注了富电子氮和缺电子硼单/共掺杂的碳纳米结构的氧还原催化性能及其与电子结构的关系, 展望了碳基无金属氧还原催化剂的发展策略与前景.     

表面重构的富氧空位非晶-结晶Ni(Co)异质结促进析氧反应（英文）

设计具有丰富活性位点的低成本且稳定的电催化剂对于提高析氧反应效率仍然具有挑战性.本文采用电化学沉积的方法,在铜箔上制备了非晶-结晶共存的三元Ni-Co-Mo金属氧化物薄膜催化剂.实验结果表明,Ni-Co-Mo催化剂具有非晶-结晶异质结构,经过表面重构后,发生了显著的Mo离子析出,从而导致稳定后的催化剂中富含大量的氧空位.具有丰富氧空位的非晶-结晶异质结催化剂,能够暴露更多的催化活性位点并降低电子转移阻抗,显著提升催化剂析氧反应性能.在1 mmolKOH中的电化学测试表明,重构后的催化剂驱动20 mA/cm²电流密度的过电位仅为308 mV,塔菲尔斜率为90 mV/dec.同时,该催化剂可以在20 mA/cm²的电流密度下连续工作超过24小时,显示出良好的稳定性.     

Recent advances of layered double hydroxides–based bifunctional electrocatalysts for ORR and OER

The oxygen reduction reaction (ORR) and the oxygen evolution reaction (OER) have attracted increasing attention for the sake of clean, renewable, and efficient energy technologies in recent years. The design of ORR/OER bifunctional electrocatalysts is a challenging task in the promotion of highly efficient rechargeable metal-air batteries as well as regenerative fuel cells. Owing to the wide adaptability of different types and ratios of metals in the interlayer space as well as the adjustable interlayer distance, composite materials with layered double hydroxides (LDHs) and their derivatives have recently been registered as electrode materials and catalysts supports for various electrochemical reactions. This study examines the recent development of bifunctional electrocatalysts based on LDHs for ORR/OER to expand the application of LDHs in the field of energy storage and conversion. Various bifunctional electrocatalysts associated with LDHs are discussed in detail to improve their performance. Finally, existing problems and future prospects for improving the performance of LDHs bifunctional electrocatalysts are proposed.     

Current progress of molybdenum carbide-based materials for electrocatalysis: potential electrocatalysts with diverse applications

Electrocatalysts are the cores of many electrochemical reactions including hydrogen evolution reaction (HER), oxygen evolution reaction (OER), oxygen reduction reaction (ORR), nitrogen reduction reaction (NRR), and CO₂ reduction reaction (CO₂RR). Recent advances in research have demonstrated the potentials of molybdenum carbide-based catalysts for these reactions arising out of their unique electronic structure and physicochemical properties. In this review, we systematically summarize the recent advances of molybdenum carbide-based catalysts in these electrochemical processes. The corresponding synthesis strategies, structure and electrocatalytic performance of the catalysts are discussed and the relationships of the process-structure-property are highlighted. In addition, the catalytic mechanisms are analyzed based on the structure characterization and theoretical calculations results. Finally, the existing challenges and future perspectives are put forward for further development of molybdenum carbide-based catalysts.     

Recent Advances of Single-atom Catalysts for Electro-catalysis

Single-atom catalysis is the “hot spot” in the field of catalysis due to the special geometries, electronic states, and their unique catalytic performance. Single-atom catalysts(SACs), isolated metal atoms dispersed on the support, show the highest atom efficiency, cutting down the potential cost in the industrial process. Consequently, this “homo-hetero” catalyst could be a promising candidate for the next-generation catalysts. The applications for the SACs are widely reported, like gas-solid reactions, organic reactions, and electro-catalysis. In this mini- review, we will focus on the recent work of SACs on electro-catalysis, including hydrogen evolution reaction(HER), oxygen reduction reaction(ORR), oxygen evolution reaction(OER), CO₂ reduction reaction(CO₂ RR), and nitrogen reduction reaction(NRR).     

Recent advances in carbon-based electrocatalysts for oxygen reduction reaction

Fuel cells are one of the most promising clean energy devices to substitute for fossil fuel in the future to alleviate energy crisis and environmental pollution.As the key reaction on the cathode in the fuel cells,oxygen reduction reaction(ORR)still requires efficient noble metal catalysts such as the comme rcial Pt/C to boost the reaction for its sluggish kinetics.Therefore,it is critical to design earth-abundant carbonbased catalysts with high efficiency and long-term stability to replace the noble metal-based catalysts.This review focuses on the recent progress about carbon-based ORR catalysts including non-metal doped carbon materials,transition metal-nitrogen-carbon species,transition metal carbides/carbon,single atom catalysts,and other carbon hybrids.And we further infer that the excellent ORR performances can be achieved by the balance of geometric and electronic structures of catalysts such as conductivity,surface area,hierarchical porous structure,defect and doping effect.Additionally,the perspective development trend is also proposed to guide the rational designation of carbon-based catalysts for ORR and even extend to other energy storage and conversion fields in the future.     

导电金属有机框架材料在电催化中的成就，挑战和机遇

To fulfill the demands of green and sustainable energy, the production of novel catalysts for different energy conversion processes is critical. Owing to the intriguing advantages of the intrinsic active species, tunable crystal structure, remarkable chemical and physical properties, and good stability, metal-organic frameworks (MOFs) have been extensively investigated in various electrochemical energy conversions, such as the CO₂ reduction reaction, N₂ reduction reaction, oxygen evolution reaction, hydrogen evolution reaction, and oxygen reduction reaction. More importantly, it is feasible to change the chemical environments, pore sizes, and porosity of MOFs, which will theoretically facilitate the diffusion of reactants across the open porous networks, thereby improving the electrocatalytic performance. However, owing to the high energy barriers of charge transfer and limited free charge carriers, most MOFs show poor electrical conductivity, thus limiting their diverse applications. As reported previously, MOFs were used as a porous substrate to confine the growth of nanoparticles or co-doped electrocatalysts after annealing. The conductive MOFs can combine the advantages of conventional MOFs with electronic conductivity, which significantly enhance the electrocatalytic performance. In addition, conductive MOFs can achieve conductivity via electronic or ionic routes without post-annealing treatment, thereby extending their potential applications. Different synthesis strategies have recently been developed to endow MOFs with electrical conductivity, such as post-synthesis modification, guest molecule introduction, and composite formatting. The performance of conductive MOFs can even outperform those of commercial RuO₂ catalysts or Pt-group catalysts. However, it is difficult to endow most MOFs with high conductivity. This review summarizes the mechanisms of constructing conductive MOFs, such as redox hopping, through-bond pathways, through-space pathways, extended conjugation, and guest-promoted transport. Synthetic methods, including hydro/solvothermal synthesis and interface-assisted synthesis, are introduced. Recent advances in the use of conductive MOFs as heterogeneous catalysts in electrocatalysis have been comprehensively elucidated. It has been reported that conductive MOFs can demonstrate considerable catalytic activity, selectivity, and stability in different electrochemical reactions, revealing the immense potential for future displacement of Pt-group catalysts. Finally, the challenges and opportunities of conductive MOFs in electrocatalysis are discussed. Based on systematic synthesis strategies, more conductive MOFs can be constructed for electrocatalytic reactions. In addition, the morphology and structure of conductive MOFs, which can change the electrochemical accessibility between substrates and MOFs, are also crucial for catalysis, and thus, they should be extensively studied in the future. It is believed that a breakthrough for high-performance conductive MOF-based electrocatalysts could be achieved.     

石墨烯基催化剂的设计合成与电催化应用

为了解决能源匮乏和环境污染的问题,研究人员正致力于寻找清洁可持续的新能源。 其中,氧气还原、氧气析出、析氢反应等是紧密联系新型清洁能源获取和存贮的重要电化学反应。 为了提高其能量转化效率,电催化剂(如碳载铂Pt/C)被广泛地用于降低其反应活化能、提高能量转化效率。 近年来,石墨烯作为一种具有高比表面积和优异导电性的二维碳材料受到了广泛关注。 通过表面杂原子掺杂、缺陷调控和引入催化活性组分等方式,获得了催化性能与贵金属催化剂相媲美,且低价格和高稳定性的非贵金属石墨烯基催化材料。 针对氧气还原、氧气析出和析氢反应在燃料电池、金属-空气电池和电催化水分解中的应用,本文概括综述了通过表/界面结构性质调控提高石墨烯电催化性能和稳定性,获得具有双功能或复合催化性能的石墨烯基催化剂的最新研究进展。 最后总结和展望了亟待解决的问题及未来的发展趋势。     

非晶非贵金属催化剂的研究进展及展望

近年来电解水产氢作为一种具有前景的制备及储存可再生能源的方法受到了各界的广泛关注.在此过程中,电解水催化剂是提高能源转换效率的关键.优秀的催化剂应具备高催化活性、高稳定性、低成本以及可大规模生产等性质.科研工作者对电解水的两部分反应,即析氢反应以及析氧反应均进行了广泛及深入的研究.目前,贵金属催化剂,如铂基、钌基催化剂的催化活性要高于其他元素催化剂,但由于其价格昂贵,储量较少使得贵金属催化剂无法得到大规模应用,因此发展非贵金属催化剂对绿色能源的发展具有重要意义.一般而言,催化剂的结晶度越高,其催化活性越好,而近年来非晶催化剂以其更高的催化活性位密度也越来越受到人们的重视.同时,非晶催化剂的成分更加灵活,相比晶体催化剂来说非晶催化剂可以在更大范围内对成分进行调节.此外,非晶催化剂的制备通常都在较为温和的反应条件下进行,这也能够降低生成成本,促进其工业化发展.在这篇综述里我们介绍了电解水反应的基本原理,总结了近期非晶析氢、析氧以及双功能催化剂的研究进展.并随后探讨了电解水反应目前的难点并对非晶催化剂的制备进行了展望.     

On the use of surface-confined molecular catalysts in fuel cell development

Fuel cells have the potential to provide sustainable clean energy but are hampered by the reliance on Pt as an electrocatalyst for half-cell reactions. Bio-inspired molecular catalysts, composed of Earth-abundant elements, have shown promise as alternative electrocatalysts for fuel oxidation and oxygen reduction reactions. This article provides a concise overview of recent progress in this area with particular focus on (i) electrodes modified with molecular catalysts for fuel oxidation and O₂ reduction and (ii) fuel cells incorporating surface-confined molecular catalysts for both anodic and cathodic reactions. Finally, the prospect and challenges of using molecular catalysts in fuel cell assemblies are discussed.     

基于Cu(Ⅱ) Tricine配合物制备氧化铜薄膜及其电催化水氧化活性

众所周知, 传统化石燃料的大量使用不仅导致严重的环境污染和温室效应, 而且化石能源本身也面临着枯竭的危机.所以, 探索全新的、环境友善的、可持续发展的能源载体一直备受国内外科研工作者的关注. 氢能是一种清洁的可再生能源, 是有潜力的化石能源替代品. 水分解是一种有效的、理想的产氢途径, 然而水氧化反应是多质子多电子传递的过程, 是制约整个水分解过程的瓶颈. 目前, 基于贵金属(铱和钌)分子和氧化物的电催化剂已经被报道很多, 并且可以保持很好的催化活性; 但是, 这一类催化剂差的稳定性、昂贵的价格和少的地壳含量等因素严重制约了其大规模实际应用. 因此, 开发基于非贵金属(钴、镍、铁、铜、锰)的新型电催化剂材料是解决该问题的唯一出路, 但要保证电催化剂的高活性和好的稳定性仍面临着诸多挑战.在众多的非贵金属中, 铜是一种来源广泛的金属, 而且铜对生物体毒性较小. 由于铜具有良好的配位化学和多重的氧化还原特性, 近年来, 很多基于铜的水氧化电催化剂被开发和研究.我们在含有1.0 mmol/L Cu2+和2.0 mmol/L Tris配体的磷酸缓冲溶液(0.2 mol/L, pH = 12.0)中, 采用1.15 V vs. NHE恒电位电沉积的方法, 在ITO导电玻璃上制备出基于铜的水氧化催化剂薄膜(Cu-tricine). 对得到的催化剂薄膜进行扫描电镜(SEM)测试, 该催化剂均匀负载在ITO表面, 厚度大约是1.4 μm. 为了更加深入研究Cu-Tricine催化剂薄膜, 采用透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)对Cu-tricine催化剂进行表征, 结果表明, 该催化剂薄膜是一种结晶度较差的无定形材料. 同时, 为了研究催化剂薄膜的元素组成及其所处状态, 对催化剂进行了能量散射X射线能谱(EDX)和X射线光电子能谱(XPS)测试, 结果表明, 该催化剂由铜和氧元素组成, 并且铜是以正二价存在. 由高分辨O 1s XPS谱图分析结果可以推测, Cu-Tricine催化剂可能是由氧化铜和氢氧化铜组成. Cu-tricine催化剂的水氧化活性是在0.2 mol/L的磷酸缓冲溶液(pH =12.0)中进行测试, 从塔菲尔曲线中可以得出, 该催化剂达到1.0 mA/cm2的催化电流密度所需的过电位是395 mV, 塔菲尔斜率为46.7 mV/decade. 此外, 在1.15 V vs. NHE的电位下, 在10 h的电解过程中, Cu-tricine催化剂薄膜可以将催化电流密度一直保持在7.5 mA/cm2, 并且得到的法拉第效率为99%.     

Recent advances in energy chemistry of precious-metal-free catalysts for oxygen electrocatalysis

The rational design and effective construction of precious-metal-free materials for OER and ORR, respectively, are reviewed in the respects of electronic structure regulation, nanostructure tailor, and freestanding electrode fabrication. This affords fresh concepts for oxygen electrocatalysis and is also enlightening for other energy catalysis with targeted optimization.